Ключевые слова: каменные сводчатые перекрытия, композитные ламинаты, несущая способность кладки.
При расчете и техническом обследовании все чаще возникает необходимость анализа влияния динамических нагрузок, которые значительно изменяют напряженно-деформируемое состояние конструкции. Источники динамических воздействий могут быть как внутренними, расположенными внутри сооружения, так и внешними по отношению к сооружениям. В процессе эксплуатации и приспособления объекта под современное использование возникает необходимость изменения технического назначения помещений, в связи с этим в конструкциях перекрытий могут возникать внутренние источники динамических нагрузок: виброактивное оборудование, движущиеся механизмы.
Так же существуют конструкции, подвергающиеся внешним источникам динамических нагрузок, а именно пульсационная составляющая ветровой нагрузки, нагрузки, передающиеся в виде волн через грунт от движущегося транспорта. Исследование распределения напряжений в конструкциях от действия таких источников, является на сегодняшнее время актуальной задачей.
Достоверная количественная оценка несущей способности конструкций возможна только при учете в исходных данных реальных прочностных характеристик материалов, фактического технического состояния и особенностей работы конструкций. В период эксплуатации зданий и сооружений свойства материалов и физическое состояние конструктивных элементов под воздействием неблагоприятных факторов природного, технологического и функционального характера могут меняться, и на момент обследования представляют некоторую неопределенность. Важно отметить, что при производстве капитальных и ремонтно-восстановительных работ требуется временное размещение различного строительно-ремонтного инвентаря, складирование строительных материалов и изделий, что практически создает дополнительную нагрузку на несущие конструкции перекрытия. Важно добавить, что каждому виду конструкций характерны определенные деформации. Форма свода трактует его дальнейшее поведение под нагрузкой. При эксплуатации на каменные конструкции могут воздействовать скрытые факторы, возможные дефекты элементов конструкции свода, которые инженеру-обследователю нужно выявить при диагностике. Правильная диагностика позволяет сделать вывод о необходимости усиления сводов, мониторинге, и прогнозировать дальнейшее поведение конструкций, которые важны, как для статических, так и, в нашем случае, динамических нагрузках.
Сочетание нескольких видов нагрузки вызывает, обычно, сложную деформацию распорных систем, в которой трудно выделить долю каждого вида, в том числе и преобладающего, так как нередко суммируются несимметричные или разнозначные прогибы. Для оценки влияния той или иной нагрузки, а также для управления деформациями с помощью рационального размещения или перераспределения нагрузок необходимо их предварительное моделирование напряженно-деформируемого состояния.
В актуальной нормативной документации, таких как СНиП II-22–81 «Проектирование каменных и армокаменных конструкций», и «Пособие к СНиП II-22–81» не предоставлены расчеты и рекомендаций по выбору метода усиления. Нормативные методики расчета композитных материалов усиления так же отсутствуют. Этот пробел в регламентации и отсутствие четких инструкций для определения надежности применяемых технологий усиления кирпичной кладки требуют от инженеров-конструкторов проявления высокого уровня профессионализма и самостоятельности в оценке и выборе наиболее подходящих решений.
Теоретически усиление композитами используется для увеличения прочности кладки на растяжение. Основная задача исследования — показать результативность использования композитных материалов для укрепления цилиндрических сводов.
Среди современных материалов для усиления кирпичных сводов возрастает интерес к использованию систем внешнего армирования на основе композиционных материалов FRP (Fiber Reinforced Polymer) — иными словами усиление полимерным волокном.
Традиционные методы усиления — наружные бандажи с применением металлических или железобетонных поясов, стальные обоймы, железобетонные «рубашки» для усиления каменных сводов и т. д. — могут гарантировать увеличение несущей способности и жесткости, но довольно трудоемки, нарушают эстетический вид конструкций и приносят дополнительную нагрузку. Среди современных материалов для ремонта или реконструкции зданий и сооружений возрастает интерес к использованию систем внешнего армирования на основе композиционных материалов. FRP системы внешнего армирования могут применяться на внутренних и внешних поверхностях как плоских, так и сводчатых каменных конструкций, чтобы предотвратить их разрушение и увеличить общую несущую способность конструкции.
В прикладной инженерии для укрепления конструкций широко применяются композитные материалы, в частности производится сетками (углеволокно, стекловолокно), или лентами (также при использовании углеволокна, стекловолокна и арамидволокна). Значительное количество научных исследований демонстрирует, что среди композитных лент углеродное волокно выделяется высокой степенью прочности на растяжение по сравнению с аналогами.
Метод повышения прочности строительных объектов с использованием композитных волокон предполагает адгезию высокопрочных холстов с помощью специального эпоксидного клея или клея на основе микроцемента и поверхности кладки контрукции. Процесс усиления непосредственно осуществляется по подготовленной поверхности кладки, включая ее очистку и грунтование. Эффективность процедуры доказана как для элементов, испытывающих изгиб в зонах растяжения и около опор при воздействии на них сдвигающих нагрузок, так и для конструкций, подверженных осевым и эксцентричным сжимающим воздействиям.
Вследствие вышеперечисленных результатов исследований, для моделирования выбрано усиление FRP системами внешнего армирования, состоявшее из двух полос ламинатов, расположенных на внешней и внутренней поверхности свода от шелыги до пяты. Сконцентрировав внимание, что композит, проходит и по сжатой зоне кладки (не только в растянутой) — такой метод позволит максимально оценить работу конструкции, и сделать более глубокие выводы.
Выполнен численный расчет НДС цилиндрического свода с динамической нагрузкой с усилением композитными ламинатами “S and P Laminates CFK” 150/2000 (120/1.4) из углеродного волокна, устанавливаемые на поверхность конструкции. Расчетная схема свода была принята в виде численной сборки расчетных тел с динамической нагрузкой.
При графическом анализе численного расчета каменного свода при действии динамической нагрузки без усиления в Abaqus, можем наблюдать работу картины деформирования сводчатого полуциркульного перекрытия с динамической нагрузкой. Стоит обратить внимание что при воздействии динамической нагрузки в конструкции возникают гармонические колебания, которые существенно влияют на распределение напряжений в своде. Максимальные главные напряжения возникают в верхней части свода по центру (в верхней части растянутая зона, в нижней сжатая), в середине сечения свода между замком и опорой (с наружной части сжатая зона, с внутренней — растянутая), и на опоре (с наружной ее части растянутая зона, с внутренней сжатая). Сама эпюра напряжений заметно изменяется (в сравнении со статической); зоны максимальных напряжений и прогибов выглядит несколько иначе, чем при статической нагрузке, максимальные напряжения возникают на нескольких участках свода, что вероятно, увеличивает количество зон внимания, т. к. сжатые и растянутые напряжения приближены к замку, где усилия сопротивления моменту заметно ниже. Также стоит учесть, наличие растянутых зон в элементарной арке, а, следовательно, и реакции кирпичной кладки конструкции сводчатого перекрытия будут неравномерными по всему сечению.
При графическом анализе численного расчета Abaqus, можем наблюдать работу картины деформирования свода без усиления и картину деформирования свода с усилением композитными материалами. При численном расчете свода без применения усиления, можем наблюдать более «динамичную» картину деформирования существенно повышается момент на опоре и значения всех растягивающих напряжений свода, увеличиваются количественные деформации свода, результатом всего которого — уменьшается общая устойчивость и несущая способность свода.
При численном расчете свода с усилением композитными ламинатами, можно наблюдать уменьшение значений напряжений растягивающих зон свода, восприятие ламинатами максимальных растягивающих напряжений (адекватную картину деформирования работы свода с ламинатами), а также увеличение жесткости сводчатого перекрытия. Тем самым, можно сделать вывод, композитные ламинаты, повышают общее качество обжатия сечения свода.
Литература:
- Беспалов В. В., Зимин С. С. Прочность каменной кладки сводчатых конструкций // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2016. № 11 (50). С. 37–51.
- Гойкалов А. Н., Щербаков В. И. Исследование технического состояния исторических здания и анализ сохранности каменной кладки несущих конструкций // Инженерно-строительный вестник Прикаспия. 2021. № 1 (35).
- Пучкова Н. А. Численное моделирование усиления кирпичных сводов с дефектами и повреждениями // Сборник статей магистрантов и аспирантов СПБГАСУ. 2019. — 187с.
- Физдель И. А. Дефекты и методы их устранения в конструкциях и сооружениях. — М., Стройиздат, 1970. — 175 с.
